净水技术|多级加氯消毒与鱼骨式多级水平衡分析及管道非开挖修复技术
小编导读
水领域科研工作是水行业发展的必要技术储备环节，也是成果转化推动产业进步的重要前序环节。对科研工作的回顾与展望，有助于梳理技术发展脉络，并为后续的产学研互动提出建议。本期栏目就《供水管网水质安全多级保障与漏损控制技术研究与示范》课题进行回顾剖析，介绍多级加氯消毒、鱼骨式多级水平衡分析方法、管道非开挖修复技术等研究成果，并提出希望借助智慧水务理念打破信息孤岛，充分实现管网信息化的需求。
《供水管网水质安全多级保障与漏损控制技术研究与示范》（2012ZX07403—002—05）是“十二五”水专项《太湖流域上海饮用水安全保障技术集成与示范》（2012ZX07403—002）的子课题，由上海市自来水奉贤有限公司牵头完成。该项目的研究团队包括上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司、同济大学、哈尔滨工业大学、原上海自来水市南有限公司、上海浦东威立雅自来水有限公司、上海上水自来水特种工程有限公司等单位。
饮用水的安全问题一直受到人们的高度重视。城镇供水管网中的水质安全和漏损控制问题更是“十二五”期间的重点科研任务。2016年，国家发改委、水利部、住建部等九部委联合印发《全民节水行动计划》，要求推行城市供水管网更新改造、科学制定和实施供水管网改造技术方案、完善供水管网检漏制度，加强公共供水系统运行的监督管理。“水十条”中明确提出到2017年，全国公共供水管网漏损率应控制在12%以内，到2020年，应控制在10%以内。以此为依据，《上海市水污染防治行动计划实施方案》中要求到2020年，上海市公共供水管网漏损率应控制在10%以内。然而根据2015《城市供水统计年鉴》，2014年中国城市供水总量为407.7亿m3，售水总量为310.3亿m3，产销差水量97.4亿m3，平均产销差率为23.89%，产销差控制目标的实现任重道远。
《供水管网水质安全多级保障与漏损控制技术研究与示范（2012ZX07403-002-05）》课题属于《太湖流域上海饮用水安全保障技术集成与示范（2012ZX07403-002）》的子课题，由上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司牵头，与上海市自来水奉贤有限公司共同完成，现已结题。
本课题主要针对太湖流域上海地区饮用水安全输配中的突出问题：研究供水管网水质安全多级保障与漏损控制技术并进行工程示范，示范工程管网水质稳定达标，示范区供水产销差在“十一五”基础上下降3%；结合国家需求和上海市的地方需求，通过多级消毒、管道冲洗、漏损控制、原位修复和布局优化等五个方面的研究，有力地支撑上海市供水管网系统的安全保障和用户端饮用水卫生安全保障工作。
供水管网水质保障目前最大的问题是消毒问题。特别是城乡一体化供水后，供水距离变长，为了保障末端水质，目前的消毒模式需保持很高的出厂余氯。虽然出厂余氯很高，但输配距离长导致局部末端余氯不足，并且易出现消毒副产物超标的问题。据“阿拉自来水”APP软件统计，上海各水司中，2012~2014年奉贤公司水厂出厂余氯量最高，为1.7~1.9 mg/L，易产生口感不佳和消毒副产物超标等问题，根据不同出厂水质和不同管材、管龄情况下的管网水质时空变化规律来研发适合小流量大区域供水系统的多级安全消毒技术显得尤为重要。研究中通过余氯衰减模型试验与参数率定来确定管网中余氯的反应动力学特征，通过综合优化水厂加氯和管网二次加氯来有效控制供水管网微生物再生，控制嗅、味物质水平和消毒副产物的生成，综合优化加氯点位置，科学控制加氯量，局部采用末端瞬间消毒设备，这一系列技术手段和措施保障了供水水质的同时，降低了供水成本。
IWA水平衡表是一种针对计量免费供水量、未计量免费供水量（消防、绿化、管道冲洗用水等）、偷盗水量、计量误差、管道漏水量、水池漏水量等进行分类量化的横向水平衡分析法，但此种方法在我国实施起来存在困难。根据我国国情，本课题中提出以纵向为主、横向为辅的鱼骨式水平衡分析方法，如图1所示，针对环状管网，先区块化，逐级装表进行水平衡分析；针对枝状管网，逐级装表进行水平衡分析。此项技术可以明确漏损方位、时间段和漏损量，并且在上海市自来水奉贤有限公司金汇办事处进行了工程示范。金汇办事处所辖供水面积25.5km2，用水人口约8万人，在2013~2014年采用水平衡分析法达到了良好的预期效果，产销差明显下降。2014年底为13.92%，与“十一五”相比，产销差降低12.02%。
图1 “鱼骨式”水平衡法示意图
旧城区老化管道和原有乡镇供水管道锈蚀、漏损严重，部分地段管道缺乏开挖条件。此时，在更新严重影响安全运行和管网水质的旧管道的同时，就需要研究开发老年化管道非开挖原位修复技术及设备。本课题中针对不同管径、不同管材、不同老化程度管道的修复工艺进行适应性研究，其中采用PE内衬、不锈钢内衬等对管道结构性和半结构性缺陷进行修复，采用环氧树脂喷涂等对管道非结构性缺陷进行修复。
此项技术的优势：（1）针对老、旧管道设施的改造，能同时满足结构更新和扩容的需求；（2）最大限度地避免了拆迁麻烦和对环境的破坏，减少了工程的额外投资；（3）局部开挖工作坑，减少了掘路量及对公共交通环境的影响；（4）采用液压设备，噪声低，符合环保要求，减少了扰民因素，社会效益明显提高；（5）施工速度快、工期短，有效降低了工程成本；（6）工程安全可靠，提高了服务性能，有益于设施的后期养护。
部分新排大口径管道存在冲洗水量不足而导致无法完成冲洗的现象，故本课题中研究开发了气水脉冲两相流管道冲洗技术，解决了小流量冲洗大管道和大高度差复杂管道冲洗的技术难题。针对水司对供水管道进行在线冲洗的技术需求，研制了不断水的加气装置，可不断水进行加气操作，并研制了专用于管道冲洗的小型SCADA通讯系统，包括软件和硬件，实现了管道前段和末端的视频通讯以及冲洗过程的相关数据实时采集，实现了管道冲洗的远程可视化。此项技术在上海市奉贤区浦星公路DN800清水管进行了工程示范。浦星公路DN800清水管管道全长6.7 km，共穿越11处障碍：其中水平定向钻进穿越7处，桥管穿越4处，最大高差约20 m。考虑到该工程高低起伏的复杂性，管道冲洗分三段进行，采用气水脉冲冲洗技术。此技术不仅解决了大高差复杂管道冲洗和小流量冲洗大管道的难题，而且与传统方法相比，节约冲洗水量70%以上。
现状给水管网规划及设计原则是使管道尽可能连接成环，从而增加供水可靠性。但是管线连接复杂，对供水水压、水质控制造成不便，管网管理、维护困难。本研究以上海市奉贤区南桥东大型居住社区为典型示范，在区域供水管网规划及设计前期引入区块化技术理念，从而避免在现状管网中实施分区造成的不利影响，通过技术手段提高供水企业的管理和运营水平。通过课题研究，引入先进理念和模型计算指导设计工作，提升给水管网规划与设计的技术水平与管理工作，在理念创新方面做出有益尝试。
课题承担单位南方水中心和上水奉贤公司在课题研究期间，主编和参编多项技术标准，包括参编住建部行业标准《城镇给水管道非开挖修复更新工程技术规程》（CJJ/T244-2016）、《埋地给水塑料管道工程技术规程》 （CJJ101-2016），《城镇给水管网运行维护及安全技术规程》（CJJ207-2013）。
主编上海市地方标准《城镇供水管网微观模型建设技术导则》（DB31/T800-2014）、《供水管道工程竣工图测绘技术要求》（DB31/T799-2014）、《城镇供水管道水力冲洗技术规范》（DB31/T926-2015）。
参编著作《城镇供水设施建设与改造技术指南实施细则（试行）》。完成《太湖流域上海地区供水管网调研与评估报告》、《给水管网区块化技术研究报告》、《薄壁不锈钢内衬耐负压试验方案》与《试验总结报告》等。
研究试制多项技术装备和产品样机，包括环氧树脂自动旋喷管道修复装备、不断水加气冲洗技术装备、管网末端瞬间消毒设备样机等，授权发明专利2项，实用新型专利5项，登记软件著作权2项。
本课题中虽然已经完成供水管网水质变化规律与多级消毒技术、气水脉冲管道冲洗技术应用研究与示范、基于梯级水量纵向平衡的供水管网漏损控制技术研究、供水管道非开挖修复技术应用研究与示范以及城乡一体化供水管网优化布局等一系列研究，但在供水管网保障水质安全的研究领域仍存在很多问题，一些研究亟待开展：
（1）实现供水管网信息化，目前供水管网存在像GIS系统、SCADA系统等很多系统与模型，但模型与系统之间存在相互不融合的问题，需要开发基于大数据理念的信息平台，推行统一标准的数据导入格式，使各种软件间相互衔接，数据共享，打破模型与系统之间的数据和信息孤岛问题，才能更好的促进“智慧水务”的发展；
（2）建立供水管网物质评价指标与体系，以便对管网进行动态评估。结合管网地理信息系统、管网微观模型定期对现役管道进行安全评估，研究确立针对不同管材输配水管道的评价指标体系，动态指标体系，除管网水质指标（化学、生物），引入对管网本身的物理指标和埋地环境的相关指标，计算出不同埋地环境、不同管材属性、不同流体性质状况下的建议管网维护或更换年限，评价不同管材在不同工况下的使用年限，科学确立管道的安全使用预警年限实现动态管理与预警，提高管材的安全性和寿命。
编
辑
札
记
供水管网漏损率控制和水质保障是供水行业如今关注的焦点问题，随着智慧水务的发展，将为城镇供水管网水质安全与漏损控制带来新一轮的技术革新。更加有效的监测技术、更优的数据分析与模拟方法、更准确的管网动态评价体系等方面的研究、更高效的修复和保障技术，均需要更多处于研究生产一线的企业共同参与和研发，《净水技术》在进一步跟踪聚焦管网漏损和水质保障技术的发展过程中，也欢迎广大企业联系联络，整合资源，推动技术进步。